Guia de Proteção de redes elétricas Schneider

Guia de Proteção de redes elétricas Schneider

(Parte 1 de 9)

Proteção de redes elétricas Guia de proteção

Guia de proteção Sumário

Apresentação 2

Arquitetura das redes 4 Critérios de escolha 4

Exemplos de arquiteturas 5

Aterramentos de neutro 6 Cinco modos de aterramento do neutro 6

Neutro isolado 7 Aterramento por resistência 8 Aterramento por baixa reatância 9 Aterramento por reatância de compensação 10 Neutro diretamente aterrado 1

Correntes de curto-circuito 12 Introdução aos curtos-circuitos 12

Tipos de curtos-circuitos 14 Curto-circuito nos terminais de um gerador 16 Cálculo das correntes de curto-circuito 17 Comportamento dos equipamentos durante o curto-circuito 18

Sensores 19 Sensores de corrente de fase (TC) 19

Sensores de corrente de fase (LPCT) 21 Sensores de corrente residual 2 Transformadores de potencial (TP) 23

Funções de proteção 24 Características gerais 24

Lista das funções 26 Funções associadas 27

Seletividade 28 Seletividade cronométrica 28

Seletividade amperimétrica 30 Seletividade lógica 31 Seletividade por proteção direcional 32 Seletividade por proteção diferencial 3 Seletividades combinadas 34

Proteção das redes 36 Redes com uma entrada 36

Redes com duas entradas 38 Redes em malha aberta 40 Redes em malha fechada 41

Proteção dos barramentos 42 Tipos de falhas e dispositivos de proteção 42

Proteção das ligações (linhas e cabos) 4 Tipos de falhas e dispositivos de proteção 4

Proteção dos transformadores 46 Tipos de falhas 46

Dispositivos de proteção 47 Referências de parametrização 48 Exemplos de aplicações 49

Proteção dos motores 50 Tipos de falhas 50

Dispositivos de proteção 51 Referências de parametrização 53 Exemplos de aplicações 54

Proteção dos geradores 5 Tipos de falhas 5

Dispositivos de proteção 56 Referências de parametrização 58 Exemplos de aplicações 59

Proteção dos capacitores 60 Tipos de falhas 60

Dispositivos de proteção 61 Referências de parametrização e exemplos de aplicações 62

Anexos 63 Glossário 63

Referências bibliográficas 65 Índice dos símbolos 6 Índice de termos técnicos 67

Apresentação Guia de proteção

Os dispositivos de proteção monitoram permanentemente o estado elétrico dos componentes de uma rede e provocam sua desenergização (por exemplo, a abertura de um disjuntor), quando estes elementos forem a causa de um distúrbio indesejado: curto-circuito, falha de isolação… A escolha de um dispositivo de proteção não é o resultado de um estudo isolado, mas uma das mais importantes etapas do projeto de uma rede elétrica. Baseada na análise do comportamento dos equipamentos elétricos (motores, transformadores…) durante as falhas e fenômenos ocorridos, este guia tem por objetivo ajudar a escolher os mais adaptados dispositivos de proteção.

Introdução

Os objetivos visados pelos dispositivos de proteção são múltiplos: b participar na proteção das pessoas contra os perigos elétricos, b evitar as deteriorações de material (curto-circuito trifásico em um barramento de média tensão pode fundir até 50 kg de cobre em 1 segundo e a temperatura do arco pode ultrapassar em seu centro 10000°C), b limitar as restrições térmicas, dielétricas e mecânicas às quais são submetidos estes materiais, b preservar a estabilidade e a continuidade de serviço da rede, b proteger as instalações vizinhas (por exemplo, reduzir as tensões induzidas nos circuitos próximos).

Para atingir estes objetivos, um sistema de proteção deve possuir as seguintes qualidades: rapidez, seletividade e confiabilidade. No entanto, é necessário conscientizar-se dos limites da proteção: as falhas devem ocorrer antes que a proteção possa agir. A proteção não pode impedir os distúrbios; ela somente pode limitar seus efeitos e sua duração. Além disso, a escolha de uma proteção é freqüentemente um compromisso técnico e econômico entre a segurança e a disponibilidade da alimentação na distribuição elétrica.

Estudo das proteções de uma rede

O estudo das proteções de uma rede divide-se em 2 etapas distintas:

b a definição do sistema de proteção, também denominado plano de proteção, b a determinação das regulagens de cada unidade de proteção, também denominada coordenação das proteções ou seletividade.

Definição do sistema de proteção

Esta etapa inclui a escolha dos elementos de proteção e da estrutura geral do conjunto, de modo coerente e adaptado à rede. O sistema de proteção é composto de uma cadeia dos seguintes elementos (fig. 1):

b sensores de medição – corrente e tensão – fornecem as informações de medição

necessárias à detecção das falhas, b relé de proteção, encarregado da monitoração permanente do estado elétrico da rede até a elaboração dos comandos de eliminação das peças defeituosas e seu comando pelo circuito de trip, b dispositivos de interrupção com a função de eliminação de falha: disjuntores, interruptores com base fusível, contatores com base fusível.

O plano de proteção define os dispositivos de proteção contra as principais falhas que afetam as redes e as máquinas:

b os curtos-circuitos, fase-fase e fase-terra, b as sobrecargas, b as falhas próprias de máquinas rotativas.

Para estabelecer um plano de proteção, devem ser considerados os seguintes parâmetros:

b a arquitetura e o tamanho da rede e seus diferentes modos de operação, b os esquemas de aterramento, b as características das fontes de corrente e suas contribuições em caso de falha, b os tipos de cargas, b a necessidade de continuidade de serviço.

Determinação das regulagens das unidades de proteção

Cada função de proteção deve ser regulada para fornecer a melhor performance na operação da rede e para todos os modos de funcionamento. Os valores de regulagem adaptados são resultantes de cálculos completos baseados nas características detalhadas dos componentes da instalação. Este tipo de estudo é normalmente efetuado utilizando softwares especializados, que indicam o comportamento da rede durante uma falha e fornecem os valores das regulagens para cada função de proteção relacionada.

Fig. 1: sistema de proteção Sensor

Interrupção Medição

Comando

Relé de proteção

Tratamento

Apresentação Guia de proteção

Conteúdo do guia

Este guia destina-se a qualquer pessoa encarregada do projeto das proteções de uma rede. Divide-se em 2 partes: b parte 1: estudo de rede, b parte 2: solução por aplicação.

Estudo de rede

Parte teórica que detalha as bases necessárias ao estudo de um plano de proteção e trata as seguintes questões: b arquitetura das redes elétricas: quais são as principais estruturas de redes elétricas utilizadas em média tensão? b regimes de neutro: quais são os diferentes modos de aterramento das redes de média tensão? Como realizar uma escolha adaptada? b correntes de curto-circuito: quais são suas características, como são calculadas e como os dispositivos elétricos reagem às mesmas? b sensores de medição: como utilizar transformadores de medição de corrente e de tensão? b funções de proteção: quais funções substituem as proteções e quais são suas classificações segundo a codificação ANSI? b seletividade das proteções: quais são os métodos utilizados para assegurar uma efetiva eliminação das falhas?

A determinação precisa das regulagens das proteções não é tratada neste guia.

Solução por aplicação

Parte prática que apresenta os tipos de falhas próprios a cada aplicação:

b redes, b barramentos, b linhas e cabos, b transformadores, b motores, b geradores, b capacitores,

e os dispositivos de proteção adaptados a cada falha, com recomendações de regulagem e exemplos de aplicação.

Fig. 1: plano de proteção

Fig. 2: exemplo de aplicação para motor

38/ 49T

12 14 27D 27R 46 48 - 51LR 49RMS 51 51G 6 87T

Arquitetura das redes Critérios de escolha

A solução de proteção de um sistema elétrico depende de sua arquitetura e de seu modo de operação. Este capítulo fornece uma descrição comparativa das estruturas típicas de redes elétricas.

Arquitetura das redes elétricas

O conjunto dos componentes de uma rede elétrica pode ser organizado segundo diferentes estruturas, cuja complexidade determina a disponibilidade da energia elétrica e o custo do investimento. A escolha da arquitetura será conseqüentemente feita para cada aplicação baseando-se no critério técnico-econômico.

São disponíveis as seguintes opções: b redes com arquitetura radial v radial simples, v radial dupla, v em derivação dupla, v em alimentação dupla com barramentos duplos.

b redes em malha v em malha aberta, v em malha fechada.

b redes que incluem uma produção interna de energia v com grupos de produção local, v com grupos de substituição.

A tabela abaixo resume as características principais destas estruturas e sua comparação. Diferentes exemplos de arquiteturas são ilustrados na página seguinte.

Arquitetura Utilização Vantagens Inconvenientes Radial

Radial simples Processos que não exigem continuidade de alimentação Ex.: fábrica de cimento

Estrutura mais simples Fácil de proteger Custo mínimo

Pequena disponibilidade de alimentação Tempo de interrupção eventualmente longo na falha Uma única falha provoca a interrupção da alimentação radial

Radial dupla Processos contínuos:

siderurgia, indústria petroquímica

Boa continuidade de alimentação Manutenção possível dos barramentos do painel principal

Solução custosa Funcionamento parcial do barramento em caso de manutenção

Derivação dupla Redes estendidas

Expansões futuras limitadas

Boa continuidade de alimentação Simplicidade das proteções Requer funções de automação

Barramentos duplos Processos com grande continuidade de serviço Processos com muita variação das cargas

Boa continuidade de alimentação Flexibilidade de utilização: transferências sem interrupção Flexibilidade de manutenção

Solução custosa Requer funções de automação

Em malha

Malha abertaRedes muito estendidas

Expansões futuras importantes Cargas concentradas em diferentes áreas de um local

Menos custosas que a malha fechada Simplicidade das proteções

Interrupção da alimentação de um segmento por falha durante a reconfiguração da malha Requer funções de automação

Malha fechadaRedes com grande continuidade de serviço Redes muito estendidas Cargas concentradas em diferentes áreas de um local

Boa continuidade de alimentação Sem necessidade de funções de automação

Solução custosa Complexidade do sistema de proteção

Produção interna de energia

Produção localProcessos industriais com auto-produção de energia Ex.: indústria de papel, siderurgia

Boa continuidade de alimentação Custo de energia (energia recuperada do processo)

Solução custosa

Substituição

(normal/segurança)Setores industrial, comercial e de serviços

Ex.: hospitais

Boa continuidade de alimentação dos alimentadores prioritários Requer funções de automação

Arquitetura das redes Exemplos de arquiteturas

Radial simples Radial dupla Legenda:

NF: normalmente fechado NA: normalmente aberto

Todos os dispositivos de interrupção sem legenda são normalmente fechados.

Derivação duplaBarramento duplo

Malha abertaMalha fechada

Produção localProdução de substituição (normal/segurança)

NF ou

NF ou

NF ou

NF ou

NF ou

NF ou

NF ou normal/ segurança

Aterramentos de neutro Cinco modos de aterramento do neutro

A escolha do aterramento do neutro das redes MT e AT foi por muito tempo o alvo de controvérsias apaixonadas, devido ao fato de que é impossível encontrar uma única solução para os diferentes tipos de redes. A experiência adquirida permite hoje efetuar uma escolha adequada em função das restrições próprias de cada rede. Neste capítulo são comparados os diferentes tipos de aterramento do neutro, que se distinguem pelo modo de conexão do ponto neutro e pela técnica de operação.

Impedância de aterramento

O potencial do neutro pode ser aterrado por cinco diferentes métodos, de acordo com o tipo (capacitivo, resistivo, indutivo) e o valor (zero ao infinito) da impedância ZN de conexão entre neutro e terra:

b ZN = ∞ : neutro isolado , isto é, sem conexão de aterramento intencional, b ZN é uma resistência com valor mais ou menos elevado, b ZN é uma reatância , geralmente, com valor baixo, b ZN é uma reatância de compensação, destinada a compensar a capacitância da rede, b ZN = 0: o neutro é ligado diretamente à terra.

Dificuldades e critérios de escolha

Os critérios de escolha envolvem diversos aspectos:

b técnicos (função da rede, sobretensões, corrente de falha etc), b de operação (continuidade de serviço, manutenção), b de segurança, b econômicos (custos de investimentos, operacionais), b práticas locais ou nacionais.

Duas considerações técnicas importantes são particularmente contraditórias:

Redução do nível das sobretensões Sobretensões muito elevadas são a causa de avaria dielétrica dos isolantes elétricos, com curtos-circuitos como conseqüência. As sobretensões têm diversas origens: b sobretensões por relâmpagos, a que todas as redes aéreas são expostas até o ponto de fornecimento do usuário, b sobretensões internas à rede, provocadas por manobras e certas situações críticas (ressonâncias), b sobretensões resultantes da fuga à terra propriamente dita e de sua eliminação.

Redução da corrente de fuga à terra (Ik1) (fig. 1) Uma corrente de falta muito elevada provoca uma série de conseqüências: b danos causados pelo arco no ponto da falha; especialmente, queima dos circuitos magnéticos das máquinas rotativas, b suportabilidade térmica das blindagens de cabo, b dimensões e custos da resistência de aterramento, b indução nos circuitos de telecomunicações vizinhos, b perigo para as pessoas, por elevação do potencial de peças condutoras expostas.

Infelizmente, a otimização de uma destas exigências provoca automaticamente a degradação da outra. Assim, dois métodos típicos de aterramento do neutro acentuam este contraste: b o neutro isolado, que elimina o fluxo de corrente de fuga à terra no neutro, mas causa sobretensões elevadas, b o neutro diretamente aterrado, que reduz ao mínimo as sobretensões, mas provoca uma corrente de falha elevada.

Com relação às considerações de operação, dependendo do modo de aterramento do neutro adotado, observa-se: b a possibilidade ou não de funcionamento na ocorrência de uma primeira falha que persiste, b o valor das tensões de contato desenvolvidas, b a maior ou menor dificuldade de colocação em operação da seletividade das proteções.

Conseqüentemente, a melhor escolha é a solução intermediária, isto é, neutro aterrado por impedância.

Fig. 1: esquema equivalente de uma rede com fuga à terra ZN CCCIk1

Síntese das características dos regimes de neutro CaracterísticasAterramento de neutro isolado compensado resistência reatância direto

Redução das sobretensões transitórias–+ –++ –+ + Limitação das sobretensões 50 Hz––+++ Limitação das correntes de falha++ +++– –

Continuidade de serviço (autorização do não desligamento na primeira falha) ++ –––

7Schneider Electric

Aterramentos de neutroNeutro isolado

Princípio de conexão

Não há nenhuma conexão elétrica intencional entre o ponto neutro e a terra, exceto dispositivos de medição ou de proteção.

Técnica de operação

Neste tipo de rede, uma falha fase-terra somente provoca uma baixa corrente através das capacitâncias fase-terra das fases sem falha (fig. 1). É demonstrado que Ik1 = 3 • C • ω • V b V é a tensão fase-neutro, b C é a capacitância de uma fase em relação à terra, b ω é a freqüência angular da rede com ω = 2 • π • f

(Parte 1 de 9)

Comentários